實測與理論瞳孔直徑下全角膜總高階像差的差異性研究*

趙麗君， 黃渝侃， 程勝男， 陳 華， 高 慧， 李玉芷

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院眼科，武漢 430022

人眼是一個精密且復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，像差是影響人視網(wǎng)膜成像質(zhì)量的主要因素之一[1]。像差相關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于眼科角膜屈光手術(shù)及屈光性白內(nèi)障手術(shù)等領(lǐng)域[2-4]，近年隨著多種新型老視矯正人工晶狀體的應(yīng)用，患者在解決白內(nèi)障術(shù)后全程視力方面具有更多選擇[5]。在多焦點(diǎn)人工晶狀體適應(yīng)證的選擇中，一般認(rèn)為角膜中央直徑4.0 mm區(qū)域總高階像差<0.3 μm的患者可植入多焦點(diǎn)人工晶狀體(multifocal intraocular lens，MIOL)，超出此范圍的謹(jǐn)慎植入，>0.5 μm不建議植入[6]。

目前有很多儀器可用于測量角膜總高階像差，臨床常用的如i-Trace波前像差儀(美國Tracey公司)，光程差分析儀(OPD Scan，日本Nidek公司)，三維眼前節(jié)分析儀(Pentacam，德國OCULUS公司)等，均常規(guī)默認(rèn)中央4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差為輸出值[7]。瞳孔直徑是影響角膜總高階像差的重要因素[8]，由于個體差異，不同患者實際瞳孔直徑并非均為4.0mm，而實際瞳孔直徑下的角膜總高階像差值是否與基于4.0 mm瞳孔直徑下機(jī)測輸出值存在差異，目前尚未見報道?；谶@一分析，本研究對實測和4.0 mm瞳孔直徑下的全角膜總高階像差差異進(jìn)行了觀察比較。

1 資料與方法

1.1 研究對象

采用回顧性研究，連續(xù)隨機(jī)選取2019年3月31日至2019年5月31日于華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院眼科就診的受試者100例，共200只眼，按照年齡劃分為6組：A組，20～歲年齡段，共17例34眼；B組，30～歲年齡段，共30例60眼；C組，40～歲年齡段，共13例26眼；D組，50～歲年齡段，共14例28眼；E組，60～歲年齡段，共14例28眼；F組，70～歲年齡段，共12例24眼。其中A、B組被視為青年人群，C、D組被視為中年人群，E、F組被視為老年人群。該研究遵循“赫爾辛基宣言”，并獲得華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。入選標(biāo)準(zhǔn)為：①年齡20～80周歲；②Sirius機(jī)測Kappa角<0.5 mm；③近2周未佩戴軟性角膜接觸鏡，2月未佩戴硬性角膜接觸鏡。排除標(biāo)準(zhǔn)為：①離焦≥±3.00 D，散光≥±1.50 D；②疑似圓錐角膜、圓錐角膜及其他角膜病變；③存在干眼、翼狀胬肉、嚴(yán)重角膜血管翳等眼表病變；④既往眼部手術(shù)史及眼部外傷史。

1.2 檢測方法

所有受試者用同一臺Sirius眼前節(jié)分析儀(Corneal Topographer，CSO，意大利)進(jìn)行三維角膜地形圖檢測，由同一位經(jīng)驗豐富的技師操作。囑患者坐于設(shè)備前，注視前方，睜大雙眼，充分暴露角膜，瞬目睜眼后，待屏幕上下測量線均變?yōu)榫G色，按下拍攝鍵。再囑患者睜大雙眼，充分暴露瞳孔，拍攝擬明環(huán)境下的瞳孔大小(0.4 xl)，收集數(shù)據(jù)。選取采集質(zhì)量覆蓋率>90%，可信度=100%的角膜地形圖，記錄不同瞳孔直徑(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm)下的全角膜總高階像差。

使用MATLAB軟件(R2017a，MathsWorks，美國)通過2.0～7.0 mm瞳孔直徑下全角膜高階像差結(jié)果作出擬合曲線，并計算出患者在明環(huán)境下實際瞳孔直徑的總高階像差值(以下簡稱“實測高階像差”)；以4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差值作為理論值(以下簡稱“理論高階像差”)；根據(jù)四舍五入原則，選取最接近實測瞳孔大小的上述機(jī)測瞳孔直徑下角膜總高階像差值，作為近似像差值(以下簡稱“近似高階像差”)。對以上結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 瞳孔與年齡的關(guān)系

明視環(huán)境下，瞳孔直徑隨年齡增長逐漸減小，二者呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)(r=-0.5866，P<0.01)。青年、中年及老年人群的瞳孔直徑均存在統(tǒng)計學(xué)差異(均P<0.05)(圖1)。

2.2 角膜總高階像差與年齡的相關(guān)性分析

實測高階像差隨年齡的變化與近似高階像差趨勢相同，均隨著年齡的增長而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)(r=-0.1912，P=0.002；r=-0.1669；P=0.002)；理論高階像差隨年齡的變化趨勢與前兩者相反，隨年齡增長而增長，呈正相關(guān)(r=0.2876，P<0.01)。見圖2。

2.3 不同人群在理論與實測高階像差上的差異

青年人群與中、老年人群在實測高階像差與近似高階像差上的差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05)，而中、老年人群之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)(圖3A、3B)。在理論高階像差，老年人群與青、中年人群間的差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.01)，而青、中年人群間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)(圖3C)。

A：年齡與瞳孔直徑的趨勢分析；B：年齡與瞳孔直徑的相關(guān)性分析；C：年齡與瞳孔直徑的差異性分析；*P<0.05，**P<0.01圖1 瞳孔直徑與年齡的關(guān)系Fig.1 The relationship between the photopic pupil diameter and age

A：高階像差隨年齡變化趨勢圖；B：理論高階像差與年齡的相關(guān)性分析；C：實測高階像差與年齡的相關(guān)性分析；D：近似高階像差與年齡的相關(guān)性分析圖2 高階像差與年齡的相關(guān)性分析Fig.2 The correlation between HOAs and age

A：不同人群間實測高階像差的組間差異；B：不同人群間近似高階像差的組間差異；C：不同人群間理論高階像差的組間差異；*P<0.05，**P<0.01圖3 不同人群間角膜總高階像差比較Fig.3 Comparison of corneal HOAs in different populations

2.4 理論與實測高階像差差值和4.0 mm與實測瞳孔直徑差值的相關(guān)性分析

在各年齡段人群中，理論與實測高階像差差值與瞳孔直徑差值均存在正性線性回歸關(guān)系(P<0.05)，角膜總高階像差值隨著瞳孔的增大而增大，除70～年齡段呈中等相關(guān)，其余各年齡段均呈強(qiáng)相關(guān)性。在20～、30～、40～、50～歲年齡段中均存在數(shù)量不等的瞳孔直徑大于4.0 mm，而60～、70～歲年齡段所有眼瞳孔直徑均小于4.0 mm(圖4)。

2.5 實測高階像差與理論高階像差的比較

在40～、60～、70～歲年齡段中，理論高階像差顯著高于實測高階像差(均P<0.01)，在20～、30～、50～歲年齡段組，兩者間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)(表1)。

2.6 實測高階像差與近似高階像差的比較

各年齡段實測高階像差與近似高階像差間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)(表2)。

各圖縱坐標(biāo)標(biāo)目：理論高階像差-實測高階像差(μm)；各圖橫坐標(biāo)標(biāo)目：4.0 mm-實測瞳孔直徑(mm)；A：20～歲年齡段；B：30～歲年齡段；C：40～歲年齡段；D：50～歲年齡段；E：60～歲年齡段；F：70～歲年齡段圖4 各年齡段理論高階像差與實測高階像差差值和4.0 mm與實測瞳孔直徑間差值的相關(guān)性分析Fig.4 The difference between“theoretical HOAs minus actual HOAs” and “4.0 mm minus actual photopic pupil diameter”in each age group

表1 各年齡段實測高階像差與理論高階像差比較Table 1 Comparison between actual HOAs and theoretical HOAs in different age groups

表2 各年齡段實測高階像差與近似高階像差比較Table 2 Comparison between actual HOAs and approximate HOAs in different age

2.7 不同人群實測與理論高階像差≥0.3 μm占比比較

青年人群中，理論和實測高階像差≥0.3 μm分別占9.57%和15.96%，二者差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.190)；中年人群中，理論和實測高階像差≥0.3 μm分別占9.26%和11.11%，差異也無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.750)；老年人群中，理論高階像差≥0.3 μm占比顯著高于實測高階像差≥0.3 μm占比(25.00%vs.9.62%，P=0.038)(圖5)。

A：青年人群；B：中年人群；C：老年人群圖5 不同人群實測與理論高階像差值≥0.3 μm占比分析Fig.5 The analysis of proportion of actual HOAs and theoretical HOAs greater than or equal to 0.3 m in different populations

3 討論

像差是指實際光學(xué)系統(tǒng)中，由非近軸光線追跡所得的結(jié)果和近軸光線追跡所得的結(jié)果不一致，與高斯光學(xué)的理想狀況的偏差。人眼并非理想的光學(xué)系統(tǒng)，角膜和晶狀體均存在像差，影響視覺質(zhì)量[9-11]。白內(nèi)障術(shù)后眼球總像差主要受角膜光學(xué)特性、人工晶狀體光學(xué)特性及人工晶狀體位置影響。像差可以用澤尼克多項式分解表達(dá)，其中0～2階屬于低階像差，3階及以上為高階像差[12]。在像差系統(tǒng)中，不規(guī)則散光與高階像差對應(yīng)，可以通過計算總高階像差的均方根(root mean square，RMS)值評估其程度[13]。不規(guī)則散光不能被鏡片完全矯正，并且可以對植入MIOL造成光學(xué)干擾，故在植入此類晶體時需要考慮角膜總高階像差的影響。目前一般認(rèn)為角膜中央直徑4.0 mm區(qū)域總高階像差(total HOA)<0.3 μm的患者可推薦植入MIOL，超出此范圍的患者謹(jǐn)慎植入[6]。

目前有很多設(shè)備可檢測角膜高階像差值，臨床常用的如基于Placido環(huán)原理的i-Trace波前像差儀和光程差分析儀(OPD scan)，基于Scheimpflug立體斷層掃描技術(shù)的Pentacam三維眼前節(jié)分析儀等，前兩者只能測量角膜前表面高階像差，后者可以測量全角膜高階像差，它們均將中央4.0 mm角膜總高階像差設(shè)定為默認(rèn)輸出值[7]。Sirius眼前節(jié)分析系統(tǒng)(意大利CSO公司)同時應(yīng)用Placido環(huán)和Scheimpflug照相技術(shù)，可以提供2～8 mm且以0.5 mm為步階的直徑范圍供選擇，可以測量上述直徑范圍內(nèi)的全角膜和角膜前表面的總高階像差。一般認(rèn)為全角膜數(shù)據(jù)更能反映眼部真實光學(xué)特性，前表面通常能代表全角膜，本研究選擇全角膜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。除此之外，Sirius可以模擬并測量3種不同照明環(huán)境下(白天、黃昏和晚上)的瞳孔大小，接近患者真實瞳孔狀態(tài)[14]。

瞳孔是影響高階像差的重要因素之一，瞳孔直徑越大，進(jìn)入眼內(nèi)光線越多，高階像差值也會越大[15]。本研究發(fā)現(xiàn)瞳孔直徑與年齡存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)，且所有老年受試者明視環(huán)境下瞳孔直徑均小于4.0 mm，故固定以4.0 mm作為影響范圍與實際情況并不相符。我們同時通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，瞳孔直徑越偏離4.0 mm，則根據(jù)實際瞳孔直徑所得的實測高階像差越偏離根據(jù)4.0 mm中央角膜區(qū)域所得的理論高階像差值，進(jìn)一步證實瞳孔差異是造成像差結(jié)果差異的關(guān)鍵性因素，這種趨勢在各個年齡組中均有類似表現(xiàn)。在瞳孔直徑為固定值的理論高階像差分析中，隨著年齡增長，角膜總高階像差呈升高趨勢，且老年人群和中、青年人群間存在明顯差異，而在瞳孔值為變量的實測高階像差分析中，則表現(xiàn)為相反的趨勢，說明對所有患者均使用4.0 mm瞳孔直徑固定值來評估高階像差存在誤差，進(jìn)而會影響到人工晶狀體選擇方案的制訂。從不同年齡段分組分析中，中、老年群體的實測高階像差與青年人群差異顯著，青、中年群體的理論高階像差與老年人群同樣存在差異，再次證實不同年齡人群瞳孔直徑差異明顯，40歲以下青年群體平均瞳孔直徑大于4.0 mm，實測高階像差均值大于理論高階像差均值，但差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，而60歲以上老年人群平均瞳孔直徑小于3.0 mm，且實測高階像差均值顯著小于理論高階像差均值，故對于白內(nèi)障高發(fā)的老年人群而言，選擇4.0 mm區(qū)域數(shù)據(jù)評估老年人群的實際高階像差情況可能會造成偏差。在青年和中年人群中，實測高階像差≥0.3 μm的占比均略高于基于理論高階像差值的占比，但兩者無統(tǒng)計學(xué)差異，這部分患者需要謹(jǐn)慎選擇多焦點(diǎn)人工晶狀體。在老年人群中，實測高階像差≥0.3 μm的占比顯著小于基于理論高階像差值的占比，故提示有部分原本被認(rèn)為不適合植入多焦點(diǎn)人工晶狀體的老年白內(nèi)障患者是可以符合選擇條件的，他們將在規(guī)劃術(shù)后用眼習(xí)慣中有更多選擇。

由于Sirius只提供以0.5 mm為步階的像差數(shù)據(jù)，而實測瞳孔直徑則大多無法完全匹配以上數(shù)值，不方便臨床使用，故本研究選擇將實測瞳孔直徑下的高階像差結(jié)果和應(yīng)用四舍五入法則最接近實測瞳孔直徑的設(shè)備所提供的瞳孔直徑下的高階像差值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各年齡段實測高階像差值與近似高階像差值均無統(tǒng)計學(xué)差異(均P>0.05)，且兩者隨年齡變化趨勢也一致，提示可以使用近似高階像差代替實測高階像差值以方便臨床應(yīng)用。

綜上所述，因?qū)嶋H與理論瞳孔直徑差異造成的角膜總高階像差差異主要存在于60歲以上年齡段，其正是白內(nèi)障高發(fā)的老年人群。此年齡段樣本人群實際瞳孔直徑均小于4.0 mm，且瞳孔差異會造成部分原本可以選擇MIOL的患者被排除出適應(yīng)范圍，故不建議將4.0 mm瞳孔直徑下角膜總高階像差作為選擇MIOL適應(yīng)證的依據(jù)。當(dāng)然，實測高階像差中可能還存在瞳孔規(guī)則性、Kappa角、瞳孔中心位移等因素影響其結(jié)果，而這些問題也同樣存在于理論高階像差測定中，其對個體化像差的影響尚需通過進(jìn)一步研究來明晰。